Astronomové zkoumají magnetické pole na okraji černé díry v srdci galaxie M87

ESO 005/21 tisková zpráva

Vědci a instituce podílející se na programu Event Horizon Telescope (EHT), kterým se v roce 2019 podařilo získat historicky první snímek černé díry, zveřejnili nový pohled na tento extrémně hmotný objekt ležící ve středu galaxie M87 vzdálené od nás 55 milionů světelných let. Záběr zachycuje velmi blízké okolí černé díry v polarizovaném záření, což se astronomům podařilo pozorovat vůbec poprvé. Vědci tak získávají neocenitelné informace o vlastnostech magnetického pole v tomto místě, které jsou klíčové pro vysvětlení procesů, jakými galaxie M87 vytváří výtrysky vysoce energetických částic proudících z jejího jádra.

„Nyní máme k dispozici další důležité informace, abychom pochopili, jak vypadá magnetické pole v okolí černé díry, a jakým způsobem aktivita v takto kompaktní oblasti prostoru pohání mohutné výtrysky, které se táhnou z jádra daleko za hranice této galaxie,“ říká Monika Mościbrodzka (Radboud University, Nizozemí), vědecká pracovnice a koordinátorka skupiny EHT pro polarimetrii (EHT Polarimetry Working Group).

Téměř před dvěma lety, 10. dubna 2019, byl zveřejněn první snímek černé díry v historii, který zachycuje jasnou prstencovou strukturu a tmavou centrální oblast – takzvaný stín černé díry. Od té doby se vědci sdružení ve skupině EHT collaboration snaží o podrobnější analýzu dat o tomto superhmotném objektu v srdci galaxie M87 získaných již během roku 2017. Zjistili, že značná část záření přicházejícího z okolí černé díry je polarizovaná.   

„Tato práce představuje významný milník: polarizace záření nese informace, které umožňují lépe pochopit fyzikální procesy skrývající se za záběrem publikovaným v dubnu 2019, a to dosud možné nebylo,“ vysvětluje vědecký pracovník Iván Martí-Vidal (University of Valencia, Španělsko) a další z koordinátorů EHT Polarimetry Working Group. „Zpracování nového záběru v polarizovaném záření si vyžádalo roky práce, protože metody získání a analýzy těchto dat jsou mimořádně komplikované,“ dodává Iván Martí-Vidal.

K polarizaci elektromagnetického záření dochází buď s použitím filtrů, jako například u skel slunečních brýlí, nebo v případě, že záření emituje velmi horká látka ovlivňovaná magnetickým polem. A stejně jako sluneční brýle s polarizačními skly umožňují redukovat odrazy od lesklých povrchů, mohou astronomové vylepšit svůj pohled na oblast v okolí černé díry tím, že zjistí, jak je odsud pocházející záření polarizováno. Přesněji řečeno, polarizace vědcům umožňuje mapovat strukturu siločar magnetického pole na samotném okraji černé díry.     

„Tento nový záběr obsahující informaci o polarizaci záření je klíčem k pochopení procesů, jakým magnetické pole umožňuje černé díře pohlcovat hmotu a vytvářet mohutné výtrysky,“ vysvětluje Andrew Chael (NASA Hubble Fellow, Princeton Center for Theoretical Science and the Princeton Gravity Initiative, US), člen skupiny EHT collaboration.

Jasné výtrysky vystupující z jádra M87 se táhnou minimálně 5 tisíc světelných let od jejího středu a jsou jedním z nejzáhadnějších útvarů této galaxie. Většina hmoty, která se ocitne v blízkosti černé díry, je vtažena dovnitř. Určité množství částic s vysokou energií však může uniknout těsně před pohlcením a je vypuzeno daleko do okolního prostoru v podobě nápadných výtrysků – jetů.

Aby astronomové lépe pochopili tento proces, vytvořili řadu různých modelů chování hmoty v blízkosti černé díry. Stále však přesně neví, jakým způsobem centrum galaxie – velikostí srovnatelné se Sluneční soustavou – produkuje jety, které dosahují délky porovnatelné s celou galaxií, a ani to, jak přesně hmota do černé díry padá. Díky novému zpracování snímku černé díry a jejího stínu v polarizovaném záření se astronomové poprvé mohou podívat do oblasti v těsné blízkosti horizontu událostí, kde se rozhoduje o tom, zda hmota bude pohlcena nebo vyvržena pryč.       

Nově zpracovaná data poskytují informaci o struktuře magnetického pole na samotném okraji černé díry. A členové týmu na jejich základě zjistili, že pouze ty teoretické modely, které počítají s hmotou v silném magnetickém poli, mohou vysvětlit struktury, které pozorujeme poblíž horizontu událostí.   

„Pozorování naznačují, že magnetické pole na okraji černé díry je dostatečně silné na to, aby vytlačilo horký plyn zpět a pomohlo hmotě odolat síle gravitace. Pouze plyn, který sklouzne podél magnetického pole může po spirále sestoupit až k samotnému horizontu událostí,“ vysvětluje Jason Dexter (University of Colorado Boulder, USA), vědecký pracovník a koordinátor pracovní skupiny EHT.

Kvůli pozorování srdce galaxie M87 bylo v rámci mezinárodní spolupráce propojeno osm radioteleskopů po celém světě – mezi nimi také ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) a APEX (Atacama Pathfinder EXperiment) v severním Chile, jejichž evropským partnerem je ESO (European Southern Observatory). Vznikl tak virtuální teleskop EHT o rozměrech srovnatelných se Zemí. Působivé rozlišení dosažené pomocí EHT by umožnilo měřit ze Země velikost kreditní karty ležící na povrchu Měsíce.  

„S pomocí radioteleskopů ALMA a APEX, které díky své poloze na jižní polokouli zvýšily kvalitu obrazu geografickým rozšířením celé sítě EHT, sehráli evropští vědci při tomto výzkumu klíčovou roli,“ říká Francisca Kemper (European ALMA Programme Scientist, ESO), vědecká pracovnice programu ALMA v ESO. „S celkem 66 anténami dominovala ALMA, pokud jde o celkový získaný signál v polarizovaném záření, zatímco APEX sehrál významnou úlohu při kalibraci pozorování.“       

„Také data z ALMA byla pro kalibraci, vytvoření obrazu a interpretaci celkových pozorování EHT velmi důležitá. Umožnila zúžit požadavky na teoretické modely, které vysvětlují, jak se hmota chová v blízkosti horizontu událostí černé díry“, dodává vědecký pracovník Ciriaco Goddi (Radboud University a Leiden Observatory, Nizozemí), který vedl doprovodnou studii založenou pouze na pozorováních provedených pomocí ALMA.

Záběr byl pořízen pomocí radioteleskopu ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) v Chile, jehož evropským partnerem je ESO. Zachycuje v polarizovaném záření asi 6000 světelných let dlouhou část jetu z centra galaxie M87 (blíže ke středu galaxie). Zakřivené čáry znázorňují orientaci polarizace, která má blízký vztah k magnetickému poli v dané oblasti. Data získaná pomocí ALMA umožňují popsat strukturu magnetického pole podél výtrysku.

Uspořádání teleskopu EHT umožnilo vědcům přímo pozorovat stín černé díry a světelný prstenec kolem něj. Nový záběr v polarizovaném záření jasně ukazuje, že v prstenci je přítomné magnetické pole. Výsledky byly pod hlavičkou EHT colaboration publikovány ve dvojici samostatných článků ve vědeckém časopise Astrophysical Journal Letters. Výzkum provádělo přes 300 vědců z řady organizací a univerzit celého světa.

„Teleskop EHT prochází rychlým vývojem, na síti probíhají technologická vylepšení a připojují se další observatoře. Očekáváme, že budoucí pozorování pomocí vylepšeného EHT umožní ještě podrobněji prozkoumat strukturu magnetického pole kolem černé díry a řeknou nám víc o fyzice horkého plynu v této oblasti,“ dodává člen týmu EHT collaboration Jongho Park (East Asian Core Observatories Association Fellow, Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics, Taipei, Tchaj-wan).

Zdroj

Další informace

Výzkum byl prezentován ve dvojici samostatných článků pod hlavičkou EHT collaboration ve vědeckém časopise Astrophysical Journal Letters: "First M87 Event Horizon Telescope Results VII: Polarization of the Ring" a "First M87 Event Horizon Telescope Results VIII: Magnetic Field Structure Near The Event Horizon". Doprovodný výzkum byl prezentován v článku "Polarimetric properties of Event Horizon Telescope targets from ALMA" autorů Goddi, C. a kol., který byl přijat k publikaci v témže časopise.

Tým EHT collaboration tvoří více než 300 vědeckých pracovníků z Afriky, Ásie, Evropy a severní i jižní Ameriky. Cílem této mezinárodní spolupráce je zachycovat co nejdetailnější snímky černých děr, jaké byly dosud pořízeny, a to pomocí virtuálního teleskopu o rozměrech planety Země. S podporou mezinárodních investic EHT propojuje existující teleskopy použitím novátorských systémů – a vytváří tak v podstatě nový přístroj s nejvyšším úhlovým rozlišením, jakého bylo dosud dosaženo.

Do projektu jsou zapojeny tyto jednotlivé přístroje: ALMA, APEX, IRAM (Institut de Radioastronomie Millimetrique 30-meter Telescope), IRAM NOEMA Observatory, JCMT (James Clerk Maxwell Telescope), LMT (Large Millimeter Telescope), SMA (Submillimeter Array), SMT (Submillimeter Telescope), SPT (South Pole Telescope), Kitt Peak Telescope a GLT (Greenland Telescope).

EHT konsorcium se skládá ze 13 zainteresovaných institucí: Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics, University of Arizona, University of Chicago, East Asian Observatory, Goethe-Universitaet Frankfurt, Institut de Radioastronomie Millimétrique, Large Millimeter Telescope, Max Planck Institute for Radio Astronomy, MIT Haystack Observatory, National Astronomical Observatory of Japan, Perimeter Institute for Theoretical Physics, Radboud University a Smithsonian Astrophysical Observatory.  

ESO je nejvýznamnější mezivládní astronomická organizace v Evropě, která v současnosti provozuje nejproduktivnější pozemní astronomické observatoře světa. ESO má 16 členských států – Belgie, Česko, Dánsko, Finsko, Francie, Irsko, Itálie, Německo, Nizozemsko, Portugalsko, Rakousko, Španělsko, Švédsko, Švýcarsko, Velká Británie – a dvojici strategických partnerů – Chile, která hostí všechny observatoře ESO, a Austrálii. ESO uskutečňuje ambiciózní program zaměřený na návrh, konstrukci a provoz výkonných pozemních pozorovacích komplexů umožňujících astronomům dosáhnout významných vědeckých objevů. ESO také hraje vedoucí úlohu při podpoře a organizaci celosvětové spolupráce v astronomickém výzkumu. ESO provozuje tři unikátní pozorovací střediska světového významu nacházející se v Chile: La Silla, Paranal a Chajnantor. Na Observatoři Paranal pracují dalekohledy systému VLT (Velmi velký dalekohled) schopné fungovat společně jako interferometr VLTI a dva přehlídkové teleskopy – VISTA pro infračervenou a VST pro viditelnou oblast spektra. Na Observatoři Paranal bude umístěn a provozován také největší a nejcitlivější teleskop pro sledování záření gama – Cherenkov Telescope Array South. ESO je také významným partnerem zařízení umístěných na planině Chajnantor – APEX a ALMA, největšího astronomického projektu současnosti. Nedaleko Observatoře Paranal, na hoře Cerro Armazones, staví ESO nový dalekohled ELT (Extrémně velký dalekohled) s primárním zrcadlem o průměru 39 m, který se stane „největším okem lidstva hledícím do vesmíru“.

Astronomická observatoř ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) je mezinárodním partnerským projektem organizací ESO, NSF (US National Science Foundation) a NINS (National Institutes of Natural Sciences) v Japonsku ve spolupráci s Chilskou republikou. ALMA je za členské státy financována ESO, NSF ve spolupráci s NRC (National Research Council of Canada) a NSC (National Science Council of Taiwan) a NINS ve spolupráci s AS (Academia Sinica) na Taiwanu a KASI (Korea Astronomy and Space Science Institute) v Koreji. Výstavba a provoz observatoře ALMA jsou ze strany Evropy řízeny ESO, ze strany Severní Ameriky NRAO (National Radio Astronomy Observatory), která je řízena AUI (Associated Universities, Inc.), a za východní Asii NAOJ (National Astronomical Observatory of Japan). Spojená observatoř ALMA (JAO, Joint ALMA Observatory) poskytuje jednotné vedení a řízení stavby, plánování a provoz teleskopu ALMA.

Výzkumná skupina BlackHoleCam získala v roce 2013 grant (Synergy Grant) od Evropské výzkumné rady (European Research Council) ve výši 14 milionů Euro. Vedoucími projektu jsou Heino Falcke, Luciano Rezzolla a Michael Kramer, partnerskými institucemi jsou JIVE, IRAM, MPE Garching, IRA/INAF Bologna, SKA a ESO. Projekt BlackHoleCam je součástí programu Event Horizon Telescope collaboration.

Odkazy

• vědecké články
  • článek VII
  • článek VIII
  • Goddi a kol.
• EHT webová stránka
• snímky teleskopu ALMA
• snímky teleksopu APEX 
• ESO EHT webové stránky
• ESO blog: EHT projekt
• pro vědce: váš článek v tiskové zprávě ESO

Kontakty

Petr Kabáth; národní kontakt; Astronomický ústav AV ČR, 251 65 Ondřejov, Česká republika; Email: eson-czech@eso.org

Jiří Srba; překlad; Hvězdárna Valašské Meziříčí, p. o., Česká republika; Email: jsrba@astrovm.cz

Monika Mościbrodzka; Radboud Universiteit; Nijmegen, The Netherlands; Tel.: +31-24-36-52485; Email: m.moscibrodzka@astro.ru.nl

Ivan Martí Vidal; Universitat de València; Burjassot, València, Spain; Tel.: +34 963 543 078; Email: i.marti-vidal@uv.es

Ciska Kemper; European Southern Observatory; Garching bei München, Germany; Tel.: +49(0)89-3200-6447; Email: Francisca.Kemper@eso.org

Andrew Chael; Princeton University Center for Theoretical Science; Princeton, New Jersey, USA; Email: achael@princeton.edu

Jason Dexter; University of Colorado Boulder; Boulder, Colorado, USA; Tel.: +1 303-492-7836; Email: jason.dexter@colorado.edu

Jongho Park; Academia Sinica, Institute of Astronomy and Astrophysics; Taipei; Tel.: +886-2-2366-5462; Email: jpark@asiaa.sinica.edu.tw

Ciriaco Goddi; Radboud University and Leiden Observatory; Nijmegen and Leiden, The Netherlands; Email: c.goddi@astro.ru.nl

Sara Issaoun; EHT collaboration member at Radboud Universiteit; Nijmegen, The Netherlands; Tel.: +31 (0)6 84526627; Email: s.issaoun@astro.ru.nl

Huib Jan van Langevelde; EHT Project Director, Joint Institute for VLBI ERIC; Dwingeloo, The Netherlands; Tel.: +31-521-596515; Mobil: +31-62120 1419; Email: langevelde@jive.eu

Geoffrey C. Bower; EHT Project Scientist, Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics; Hilo, HI, USA; Mobil: +1 (510) 847-1722; Email: gbower@asiaa.sinica.edu.tw

Bárbara Ferreira; ESO Media Manager; Garching bei München, Germany; Tel.: +49 89 3200 6670; Mobil: +49 151 241 664 00; Email: press@eso.org